石化加氫裝置高壓螺紋鎖緊環換熱器檢修若干工藝要點

張凱鋒(南京揚子檢修安裝有限責任公司，江蘇 南京 210044)

1 螺紋鎖緊環換熱器結構特點

隨著20世紀80年代從美國引進的兩套加氫裂化裝置的運行，在中國石化系統開始使用高壓螺紋鎖緊環換熱器。伴隨著國產化的進展和逐步成熟，高壓螺紋鎖緊環換熱器逐步廣泛應用在加氫裂化、渣油加氫、蠟油加氫等裝置上。

該結構的換熱器管箱殼體端部是梯形螺紋結構，與鎖緊環一起承受管箱內的外壓。殼程的密封是由管箱內部的螺栓來實現壓緊的。同時由于螺紋鎖緊環式換熱器的結構較復雜、內構件多、裝配復雜、拆裝需要借助專用工裝，對檢修和拆裝的要求較高[1]。

2 典型螺紋鎖緊環換熱器檢修工藝探討

200萬噸/年2#高壓加氫裂化裝置是南京某石化公司油品質量升級及原油劣質化改造工程的主體裝置之一，EA201106熱高分氣/冷低分油換熱器為高-低壓螺紋鎖緊環式換熱器，也是該裝置關鍵設備，主要技術參數如下：

設備規格：Φ1200×7368.5×60/48；設備型式：DFU；設計壓力 (殼/管)：12.98/16.23 MPa；工作壓力(殼/管)：2.6/15.46 MPa；設計溫度 (殼/管)：211/260 ℃；工作溫度 (殼/管)：50～187/240～176 ℃；介質 (殼/管)：冷低分油/熱高分氣；殼體材質：14Cr1Mo鍛；管箱材質：Q345R(R-HIC)；管板材質：14Cr1Mo 鍛；換熱管材質：1.25Cr0.5Mo；換熱面積：400 m2；換熱管：Φ19×2×5000×25；程數 (殼/管)：2/2。

熱高分/冷低分油換熱器(EA201106)其管程通過采用緊固外圈壓緊螺栓，經外環頂銷、外圈環壓及密封盤，將壓力傳遞到密封盤墊片(管程密封墊片)而達到密封效果；管程與殼程之間通過法蘭聯接實現殼程密封。在設備運行過程中若發現管程與殼程有串漏時，需拆卸鎖緊環，檢查管束尋找漏點。

由于設備在長時間在高溫高壓狀態下工作，緊固螺栓、及承壓環等內件承受壓力過大，在檢修過程中若方法不當，會造成大量的螺栓或螺紋環不能順利的旋下，造成檢修時間延長或設備損壞的情況發生。檢修時需要采用專用的檢修工具進行拆裝，檢修過程中需要對換熱器的螺栓螺紋進行重點的保護，以防出現螺紋咬死、拉傷等現象，從而影響檢修及設備的使用效果。

3 檢修工藝探討

2021年4月26日23:45裝置按照開車網絡計劃系統壓力升至15.28 MPa后，停運新氫壓縮機GB201102A進行保壓試驗，停機后發現系統壓力下降速率異常，經排查綜合分析判斷為熱高分氣與冷低分油換熱器EA201106內漏導致。經公司研究決定將其切出檢修。

3.1 檢修前的準備

對要拆檢的螺紋鎖緊環換熱器先停車、卸壓、物料置換等；待設備溫度冷卻 至 160 ℃以下時，進行澆注潤滑油。正式檢修時，提前對螺紋鎖緊環注油孔澆注潤滑油，對壓緊螺栓和需要拆除的管線法蘭連接螺栓噴涂螺栓松動劑，便于檢修時拆卸螺 紋鎖緊環及壓緊螺栓、連接螺栓。

在作業前準備好施工材料、備品備件。施工中所用的材料、備件等需提供合格的產品質量證明文件，對材料有疑問時必要時需對材料進行復測，對揚子石化自行采購、加工的小型零部件需其提供質量保證文件并做好材料外形尺寸的復測及材質檢驗工作等。

3.2 拆除螺紋鎖緊環

空余12 h，對所拆的內外圈壓緊，并將其涂抹上松動劑，保證螺栓結構的使用穩定性和安全性；合理的選取使用風動扳手，力矩扳手等，對松開的螺栓壓緊處理，在拆卸之后，選取使用清洗劑清洗除銹，除銹之后，檢查除銹的效果最后放在原地進行科學的保管和處理。

3.3 組裝既定的螺紋鎖緊環拆卸工裝作業

螺紋鎖緊的情況下，需要合理的進行拆卸組裝，并選取使用50 t吊車將螺紋鎖緊裝置吊起，并使用導鏈結構對其進行找正處理，螺紋鎖緊環拆卸工裝好以后，需要將壓蓋蓋好，固定好螺栓[2]。要按照螺紋鎖緊環、管箱平蓋處理，內外環結構壓圈等重量，合理的計算出螺紋結構鎖緊環旋出，計算工裝過程中所需要的配重，并把好配重，如圖1、2所示。

圖1 拆卸工裝圖

圖2 密封盤拆卸示意圖

待螺紋結構鎖緊旋出后，選取使用千葉輪拋光螺紋鎖緊節后，并在螺紋表面上對螺紋鎖緊裝置的表面進行100% PT檢測處理，按照對應的規范進行合理的處置。利用 25 t 吊車配合取出密封盤。

密封盤由于長時間受高溫高壓的作用，無法再次使用，需報廢進行更換新制作的密封盤。在拆裝的過程中，所有的密封面及管箱螺紋結構都需要留心工作，選取使用膠皮或者橡膠板對整個結構進行鋪墊保護，避免整體結構遭到損傷。

換熱管與管板焊接接頭進行 100% PT 檢測，按NB/T 47013.5—2015 中Ⅰ級合格。

4 殼程試壓方案的選擇

(1)對殼程按照設計壓力進行水壓試驗，檢查管頭及換熱管是否有泄漏，合格后泄壓。

若泄漏量微小，試壓難度大，視情況選擇以下三套試壓方法如下：第一種方法(首選方案)：水壓試漏，壓力不超過設計壓力12.98 MPa；第二種方法(備選方案，提前做好準備工作)：氦氣試漏；第三種方法(備選方案，提前做好準備工作)：氨氣試漏。

(2)殼程試壓過程中，具體操作如下：若換熱管管壁泄漏，可采取以下兩種方法：第一種方法：采用堵頭直接堵漏，不進行焊接。堵頭規格φ14×φ16×100，材料同換熱管。第二種方法：用堵頭堵管后，將堵頭與管板以角焊縫方式焊接，焊接采用TG1CM 焊絲。

(3)若發現管頭角焊縫有泄漏，可采取以下方法：對管頭做好標記，并進行局部清理，去除缺陷部位油污雜質及水汽等；缺陷清除，對泄漏部位焊肉徹底清除(若換熱管的管壁泄漏，則采用堵管方法對泄漏的換熱管進行堵焊)；焊肉去除部位表面 PT 徹底檢查，合格后進行下一步焊接；對缺陷部位進行補焊；無損檢測：在返修后對焊接接頭進行 100% PT檢測合格。

4.1 管程內件回裝

組裝半圓板及密封盤，符合圖樣要求；依據如圖3所示。組螺紋鎖緊環與螺紋鎖緊環旋入工裝內部，保證壓緊螺栓結構能夠保持進出的通暢性與完整性。待旋入螺紋鎖緊環之前，需要將臨時性的墊子全部取出，修磨管箱結構內部的螺紋。選取使用吊車起吊螺紋鎖緊環結構，并旋入工裝和處理，找正具體的位置，選取使用導鏈結構，與管箱結構對接處理，并慢慢的旋入內部，旋至圖紙規定的尺寸后，取下對應的螺紋鎖緊環工裝結構。

圖3 螺紋鎖緊環組裝圖

4.2 回裝、把緊壓緊螺栓

壓緊螺栓在擰緊過程中，擰緊時應上下左右均勻對稱擰緊，分三次擰緊，第一次為 50%力矩，第二次為 80%力矩，第三次為 100%力矩。最后再用標準力矩均勻擰緊，以確保管程墊片受力均勻。

5 螺紋鎖緊環換熱器檢修中主要故障和處理方法探討

5.1 內、外壓緊螺栓旋不出或旋斷

(1)原因分析。在本次檢修中，熱高分/冷低分油換熱器(EA201106)螺紋鎖緊環換熱器出現了內外圈螺栓旋不動甚至旋斷的情況，給檢修拆卸造成了較大的困難。出現這種情況的原因有以下幾方面：首先，設計的螺栓直徑偏小、長度偏長、螺紋摩擦副細牙螺紋絲扣較長，當螺栓出現變形、錯位， 或者在預緊時扭矩過大，就會發生亂絲情況導致螺栓無法順利旋出。其次，由于管箱結構內部與殼體的材質膨脹處理的系數存在不通過，且在具體的運行管理過程中，會導致整個內件軸向變形量不一致，一定溫差變化的條件下，可能會導致螺栓結構與結合面導致形成磨損、凹坑，甚至會導致螺栓變形而使得螺栓無法順利旋出。

(2)故障處理。部分壓緊螺栓在擰松的情況下擰斷，在對應的頭蓋位置拆下后，選取機械加工處理，若在螺栓結構斷裂的過程中，螺栓沒有擰緊，則可在現場將斷裂的螺栓結構取出，這樣即不能夠破壞螺栓，也要安裝前期的所有螺孔，重新攻絲處理。

5.2 內法蘭螺栓旋不出或旋斷

(1)原因分析。由于內法蘭螺栓結構頭部并沒有頂柱，并且在各種軸向力的作用下，頭部結構容易墩粗或者彎曲，另外若法蘭螺栓結構與內法蘭、三合環材質搭配不佳，也會導致其在高溫的作用下產生變形而咬死的現象發生。

(2)故障處理。由于內法蘭螺栓結構主要是通過三合環上的螺栓孔在內法蘭上的，出現咬死或者不能旋出的情況時要把埋在三合環孔內的螺栓頭處理掉，再用磁力鉆把三合環孔內的螺栓取出， 并且要根據絲扣的損壞情況， 進行堆焊或重新攻絲；在內法蘭螺栓結構設計上可以考慮將內法蘭螺栓的頭部結構扣改為縮徑光桿結構，避免由于預緊的過程導致存在螺栓頭部墩粗或者彎曲，從而引發無法拆卸等的情況。

5.3 鎖緊環螺紋旋出困難或過程中咬死

(1)原因分析。鎖緊環螺紋與殼體螺紋之間如有雜物或出現變形鎖緊環在旋進或旋出過程中會對這兩處螺紋造成損傷；或者操作過程中頻繁出現較大的波動，也可能造成螺紋的缺陷，拆除過程中就會出現旋出困難或者咬死的情況；另外在安裝過程中如果螺紋鎖緊環與殼體在拆卸過程中不能一直保持較好的同心度和垂直度，也會出現上述情況。

(2)故障處理。針對上述情況，在拆除過程中可采取在管箱殼體外包上電加熱器加熱使殼體膨脹，或對螺紋鎖緊環腔體注入干冰進行冷卻的方法進行拆除。當螺紋鎖緊環旋出和旋進過程中發現卡滯現象時，需檢查專用工具與鎖緊環、殼體的同心度，同時可進行幾次正反旋動， 并加潤滑油以消除毛刺；如果卡滯較嚴重，在適當提高鎖緊環外圈上的力直至旋出。

6 螺紋鎖緊環換熱器檢修過程密封失效補充說明

螺紋鎖緊環換熱器主要有兩道密封：一是防止管殼層介質互竄的內部密封，該處密封的墊片安裝在管板內側，如圖4所示。二是防止管程介質向外界泄漏的外部密封，密封的墊片安裝在密封盤管箱筒體的端部的臺階處。

圖4 管板側密封圖

6.1 內密封預緊及密封過程施工工序

內密封的管程墊片上所需的初始預緊力及操作預緊力由內法蘭螺栓提供，并依次經過以下組件順序壓緊而得到：預緊內法蘭螺栓-分合環-隔板箱(分程箱)-殼程墊片-管板。

當擰緊內法蘭上單頭螺栓時，螺栓會頂在隔板箱上。繼續擰緊螺栓時內法蘭會被卡在槽內的分合環頂住，同時內法蘭螺栓會產生一個向前的力，把隔板箱和管板向前推進，使殼程墊片得到一定的比壓，從而起到密封的作用。

6.2 外密封預緊預緊及密封過程施工工序

外密封墊片上所需的初始預緊力及操作預緊力由外圈壓緊螺栓提供，并依次經過以下組件順序壓緊而得到：外壓桿-外壓環-密封盤，最終通過鎖緊環和筒體端部之間的梯形螺紋傳給殼體。

擰緊外圈壓緊螺栓時，外圈頂銷就會頂在外壓環上。由于螺紋結構鎖緊的過程中，主要導致螺紋固定在殼體結構上，就會導致殼體給螺紋鎖緊環一個向前的作用力，因此在擰緊外圈的螺栓結構以后需要壓緊密封盤和管程墊片，由于管程墊片結構的接觸面積相對較小，因此產生的比壓力也較大，起到較好的密封處理作用。同時，在具體的運行管理過程中，由于管箱內介質壓力相對較高，管箱內產生的軸向力由螺紋鎖緊環通過梯形螺紋由殼體來承受。

7 螺紋鎖緊環換熱器泄漏的類型及原因分析

7.1 螺紋鎖緊環換熱器內漏原因分析及措施

螺紋鎖緊環換熱器殼程密封失效主要原因：一是受內密封處的密封組件質量影響，如墊片、螺栓、密封面質量的影響造成密封失效；二是受安裝質量的影響，如安裝過程預緊、墊片安裝問題等原因造成的密封失效。另外由于密封結構的墊片回彈能力較好，決定了泄漏的程度，回彈能力越強則會較好的彌補因為壓力、溫度波動等導致的泄漏現象發生，從一定程度上看，消除內漏問題的發生，從基礎的運行和管理經驗上看，要盡量的避免由于石墨纏繞墊的出現，考慮H-H螺紋鎖緊環換熱器高溫、高壓環境，最好選用雙金屬自密封波齒墊(見圖4)。其金屬的線密封和柔性石墨密封的雙重作用在高溫、高壓環境下表現出更好的壓力、溫度的均布性和補償性，可以確保它的密封性能更好、使用壽命更長[3]。

7.2 內法蘭螺栓耐高溫下彈性降低的影響

內法蘭螺栓結構的塑性變形在高溫的環境下，和應力共同作用，隨著時間的增加而增大，相反，彈性應力在此狀況下，會隨著時間的增加而減小，并且在開工處理的過程中，會遇到溫度大，并且幅度波動的情況，因此墊片會因IC密封壓不夠而導致內漏現象發生，應力松弛發生的頻率也越來越高，內漏也會加劇。目前內法蘭螺栓一般選用SA453-660B型鎳基高溫高強合金材質，其在650 ℃以下具有較高的屈服強度和持久、蠕變強度，能夠滿足在運行環境要求。

7.3 密封面缺陷引起的密封失效

主要是密封槽槽底或管束管板密封面出現貫通缺陷如凹槽、溝槽、密封面變形超出了墊片補償能力、密封處有污物槽凸物影響墊片與兩側密封面緊密接觸等原因造成的內密封失效。這種失效較難通過緊固內圈壓緊螺栓來消除，因此這也是安裝和拆除中需要重點檢查和處理的。

8 螺紋鎖緊環換熱器外漏原因分析

螺紋鎖緊環換熱器的外漏除了因殼體制造原因引起的泄漏外，主要是管箱處密封原因引起的外漏。

8.1 管程密封槽缺陷引起的密封失效

管程密封的墊片是安裝在管程殼體上的密封槽內，如果對應的密封槽槽底結構密封面出現了貫通的現象，則會超出墊片結構的補償能力而發生變形，由此可能會導致出現密封泄漏的現象。另外，當槽內側的結構出現塌陷，則會影響到密封盤的定位，導致結構件安裝不到位的現象，例如密封墊在密封槽內發生偏移將會影響其與密封盤密封面均勻接觸而引起泄漏；或者密封盤安裝時下墜壓到密封槽內外側凸臺上也會引起泄漏。

8.2 壓緊螺栓和頂桿原因引起密封失效

這種失效主要是由以下三個原因引起：(1)外壓緊螺栓螺紋損壞影響預緊；(2)頂桿彎曲影響預緊；(3)頂桿一端因鉆取壓緊螺栓形成錐孔影響預緊，甚至造成受壓后端口擠壓變粗阻礙頂進。

9 結語

(1)螺紋鎖緊環換熱器的墊片在高溫情況下很容易出現變形、失去回彈力。建議選擇使用雙金屬自密封波齒墊，同時考慮采用耐高溫和腐蝕以及應力松弛率和回彈率好的碟簧來彌補溫差、壓力引起的變化。

(2)螺紋鎖緊環換熱器的檢修關鍵在于管殼程墊片的安裝，特別是在安裝內法蘭螺栓前要精確計算螺栓的預緊力、并涂抹高溫螺紋防咬合劑。緊固螺栓過程建議按照預緊力的50%、80%、100%分步、對稱緊固，確保預緊力均勻分布。防止密封墊片受力不均導致墊片與密封面未完全接觸而產生泄漏。

(3)檢修拆卸換熱器時要注意不要損傷到大螺紋，同時對拆下的鎖緊環螺紋和管箱螺紋需要仔細清理、檢查。對損傷的鎖緊環需要進行強度校核，必要時需返廠修復或更換。另外要保護好管箱螺紋，避免檢修過程受到損壞。